DE845564C

DE845564C - Verfahren und Vorrichtung zur Erwaermung thermoplastischer Stoffe durch Waermestrahlen zum Zwecke der Warmbearbeitung

Info

Publication number: DE845564C
Application number: DEM765A
Authority: DE
Inventors: Karl Dr-Ing Steinbuch
Original assignee: Mix und Genest AG
Current assignee: Mix und Genest AG
Priority date: 1949-12-02
Filing date: 1949-12-02
Publication date: 1952-08-04

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erwärmung thermoplastischer Stoffe durch Wärmestrahlen zum Zwecke der Warmbearbeitung Zum NerschweiI3en, Prägen oder Verformen thermoplastischer Stoffe bedarf es der gleichzeitigen oder unmittelbar aufeinanderfolgenden Einwirkung von Wärme und Druck.
Bei den bekannten, diesem Zweck dienenden Verfahren wird die Wärme dem zu bearbeitenden meist folienförmigen thermoplastischen Stoff entweder durch Wärmeleitung von einem Wärmespender, z. B. geheizter Kolben oder Heißluft, zugeführt, oder aber man erwärmt das Material auf dielektrischem Wege mittels hochfrequenter elektrischer Feldenergie.
Das erste dieser Verfahren ist nicht nur sehr umständlich und deswegen unwirtschaftlich, sondern auch technologisch ungünstig. Seine Anwendungsmögl ichkeiten erstrecken sich zudem nur auf begrenzte Bereiche und sind auch hier wegen der Schwierigkeit der richtigen Dosierung der zugeführten Wärmeenergie äußerst kritisch.
Im Gegensatz hierzu zeichnet sich das erwähnte, mittels dielektrischer Erwärmung arbeitende Verfahren durch seine universellen allen Ansprüchen an Einfachheit und Zuverlässigkeit, Arbeitsgeschwindigkeit und Sauberkeit gerecht werdenden Anwendungsmöglichkeiten aus. Diese Vorteile lassen sich allerdings nur durch einen erheblichen Aufwand an Hilfsgeräten erkaufen, deren Betriebskosten ziemlich hoch sind.
Diese zuletzt genannten Nachteile treten nicht auf, wenn die Erwärmung des zu behandelnden Stoffes durch Bestrahlung dieses Stoffes mit Wärmestrahlen, insbesondere infraroten Strahlen, erfolgt Um diese Art der Erwärmung für die Zwecke der Warml>earl>eitung thermoplastischen Materials nutzbar zu machen, wird erfindungsgemäß die Anwendung von Wärmestrahlen vorgeschlagen, die durch optische, den Strahlengang beeinflussende Mittel, Sammellinsen und/oder Hohlspiegel rotations- oder zylinderparabolischer oder elliptischer Form od. dgl., auf bestimmte Punkte, Linien oder begrenzte Bereiche konzentriert werden.
Die Strahlungsquellen können hierbei beliebiger Art sein. Bekanntlich emittieren alle erwärmten Körper Wärmestrahlen. Für den vorliegenden Verwendungszweck sind jedoch solche Wärmestrahler am besten geeignet, die eine punkt- oder linienförmige Strahlungsquelle haben. Derartige Infrarotstrahler sind im Handel erhältlich. Sie arbeiten hei geringen Betriebskosten mit gutem Wirkungsgrad.
Wird eine thermoplastische Folie 2 (Fig. 1) einer homogenen Wärmestrahlung ausgesetzt. die in Fig. I durch Pfeile I dargestellt wird, so zeigt die Energiedichtenverteilung je nach dem Grad der Absorptionsfähigkeit des Materials einen von der Oberfläche exponentiell abfallenden Verlauf, etwa in der Art, wie es das in der Fig. I rechts eingezeichnete Diagramm zeigt. Bei einer solchen Bestrahlung wird also die der Strahlungsquelle zugewendete Oberfläche am meisten erwärmt. Für die eigentliche Varml,earheitung dürfte diese Art der Erwärmung durch unmittelbare Wärmebestrahlung in den meisten Fällen unzweckmäßig und bei Wahrung eines guten Wirkungsgrades nicht hinreichend sein; sie eignet sich dagegen sehr gut beispielsweise zur Vorwärmung des Materials.
Nun bietet sich aber entsprechend der Erfindung die Möglichkeit, die Strahlungsenergie auf bestimmte Punkte oder begrenzte Bereiche auch innerhalb eines Körpers zu konzentrieren, wenn, wie es bei den meisten organischen Stoffen zutrifft, das zu bearbeitende Material für die Strahlung weitgehend durchlässig ist. Um dieses Ziel zu erreichen, kann man sich geeigneter Sammellinsen bedienen und/oder Spiegel, die die Form eines Rotations- oder Zylinderparaboloids oder -ellipsoids haben. Damit läßt sich die Energie beispielsweise auf einen Punkt oder eine Linie konzentrieren; eine Maßnahme, die insbesondere bei dem Verfahren der Verschweißung zweier Folien miteinander von großem Nutzen ist, wenn die Strahlungsenergie auf die jeweils zu verschweißende Stelle konzentriert wird.
Eine beispielsweise diesem Zweck dienende Anordnung ist in schematischer Form in Fig. 2 dargestellt, bei der zur Strahlfokussierung ein parabolischer Hohlspiegel 4 dient. Die ursprünglich homogene Strahlung durchsetzt zunächst die leiden miteinander zu verschweißenden Folien 5 und 6 und erzeugt dabei die obenerwähnte exponentielle Energiedichtenverteilung. Hinter den Folien befindet sich der rotationsparabolische oder paraholzylindrische Spiegel 4, welcher an der Schweißstelle an der Grenzfläche der beiden Folien einen Brennpunkt bzw. Brennstrich erzeugt, also einen eng umgrenzten Bereich I,esonders hoher Energiedichte. Zusammen mit der von der homogenen Strahlung ergibt sich durch den Querschnitt der beiden Folien etwa eine Verteilung der Energiedichte, wie sie in der diagrammatischen Darstellung 7 gezeigt ist. Derartige Anordnungen eignen sich, wie bereits erwähnt, l>esonders gut für Verschweißungen von thermol>lastischen Stoffen, und zwar auch dann, wenn es sich um Folien unterschiedlicher Dicke handelt. In diesem Fall werden bei der dielektrischen Verschweißung besondere Maßnahmen notwendig.
Ferner ist zu erwarten, daß die entstehenden Nähte nicht so tief eingeschnürt sind wie bei der dielektrischen Verschweißung von insbesondere sehr dicken Folien, da die Energiekonzentrierung in der Schweißnaht hei dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich schärfer ausgeprägt ist als bei dem mit dielektrischer Erwärmung arheitenden Verfahren, hei dem die geringere Erwärmung der Randzonen nur durch die natürliche oder künstlich durch Kühlung erhöhte \Nfirmeahleittlng verursacht wird.
Entsprechend Fig. 2 kann natiirlich die Strahlfokussierung auch an der Seite der Energiequelle bewirkt werden, beispielsweise durch eine Sammellinse 8 (Fig. 3) oder einen Hohlspiegel 9 (Fig. 4).
Die Energiequelle 10 befindet sich dahei jeweils an der Stelle, an der sie durch die optischen Mittel gerade auf die zu erzielende Schweißnaht abgehildet wird. Sie liegt also jeweils nicht ganz im Brennpunkt bzw. in der Brennlinie. Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 wäre die Verwendung eines elliptischen Spiegels geeigneter, hei dem die Energiequelle im Brennpunkt angeordnet ist. Für die Linse muß natürlich ein Material verwendet werden, das die Strahlen nicht oder kaum absorbiert.
Ebenso ist zur Erzielung der gewünschten Strahlfokussierung auch die Anwendung von geeigneten Kombinationen solcher optischer Mittel möglich und in vielen Fällen angebracht. Eine beispielsweise Anordnung, die zwei Hohlspiegel notwendig macht, zeigt Fig. 5. Die Energiequelle Io ist im Brennpunkt bzw. Brennlinie des einen Paral>olspiegels 1 1, während im Brennpunkt l>zw. Brennlinie des Parabolspiegels 12 die zu erwärmende Stelle der Folien 5, 6 liegt. Zwecks Durchführung der Folien 5, 6 besteht der Spiegel 12 aus zwei Teilen oder ist mit einer Aussparung versehen.
Zweckmäßiger ist in diesem Fall die Ausbildung der Spiegelkombination mit elliptischer Erzeugenden.
In jedem Fall empfiehlt es sich, die verwendeten optischen Mittel v erstellhar anzuordnen, um auf diese Weise eine Anpassung an verschiedene Arbeitsbedingungen zu erzielen.
Die verwendeten Spiegel l>estehen zweckmäßig aus für Wärmestrahlen durchlässigen Körpern, bei spielsweise Quarz, deren entsprechend geformte Randflächen mit einem strahl reflektierenden Material, beispielsweise Silber, üI,erzogen sind. Auf diese Weise ist es möglich, mittels der Spiegel den bei der Schweißung und hei der Prägung notwendigen Preßdruck auf das zu bearbeitende Material zu erzielen. Ein derart aufgebauter z. B. parabolzylindrischer Spiegel ist in Fig. 6 dargestellt. Darin sind der parabolzylindrische Quarzkörper mit I3, der Spiegelbelag, der natürlich nur eine äußerst geringe Dicke zu haben hraucht, mit 14 gekennzeichnet. Um die Druckwirkung hesonders auf die Schweißstelle zu konzentrieren, kann noch ein Steg 15 vorgesehen sein. Entsprechend kann zur Erzielung von Prägungen der Spiegel auch als Prägestempel mit entsprechend geformter reliefartiger Preßflächen ausgebildet sein.
Die Wirkung der beschriebenen Mittel, die der Strahlfokussierung auf die zu erwärmende Stelle dienen, läßt sich noch wesentlich dadurch erhöhen, daß man dieser Stelle einen erhöhten Absorptionskoeffizienten gibt. Diese Möglichkeit erscheint insofern als realisierbar, als viele Stoffe im Ultraroten ausgeprägte Ahsorptionsbanden hahen, z. B. Wasser und alle Alkohole (OH-Gruppe) bei etwa 3 . Mit Hilfe eines derartigen möglichst flüssigen Stoffes läßt sich eine so erhebliche Erhöhung des Absorptionskoeffizienten an der zu erwärmenden Stelle erzielen, daß sie hereits bei homogener Strahlung eine l>esonders rasche und starke Erhitzung erfährt. Die durch die Strahlung frei werdende Wärme ist proportional dem Ahsorptionskoeffizienten.
Die Anwendung dieses Verfahrens der Erhöhung des Al>sorptionskoeffizienten an der zu erwärmenden Stelle des Materials ist besonders bei der Verschweißung zweier oder mehrerer Folien miteinander angelracht. Ual,ei wird die gewünschte Schweißnaht oder -fläche mit dem stark absorhierenden Stoff aufgezeichnet, und die Folien unter Druck einer homogenen oder durch optische Mittel in erwähnter Art konzentrierter Strahlung ausgesetzt.
Erhebliche Schwierigkeiten bereitet bei der Schweißung von Folien thermoplastischen Niaterials die richtige Dosierung der zugeführten Wärmeenergie. Bei dem bekannten, mit dielektrischer Tlochfrequenzervärmung arbeitenden Verfahren wird diese Schwierigkeit dadurch automatisch hehoben, daß die Schweißelektroden bei Erreichen der zur Schweißung richtigen Erweichungstemperatur in das Material hineingepreßt werden, wodurch sich der Senderausgang verstimmt und demzufolge die zugeführte Hochfrequenzenergie stark reduziert.
Ein hierzu analoger Effekt tritt jedoch auch bei dem hier beschrieleiieu neuen Verfahren auf, da nach Erreichen der richtigen Schweißtemperatur durch das Eindrücken der gleichzeitig der Druckgal)e dienenden optischen Mittel die Strahlfokussierung beeinflußt wird. Für den Fall, daß dieser Effekt nicht in hinreichendem Maße in Erscheinung tritt, und bei der Verwendung homogener Strahlung läßt sich al>er auch hei Erreichen einer bestimmten Eindringtiefe eine Unterbrechung oder Reduzierullg der lellergiezufullr erzielen, l>eispielsweise durch selbsttätige Abschaltung oder Abblendung der Energiequelle oder durch Ablenkung der Strahlen.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch sehr gut zur progressiven Verschweißung von Nähten unter Verwendung von Rollen benutzen. Eine beispielsweise diesem Zweck dienende Anordnung zeigt Fig. 7 im Schnitt. Die miteinander zu verschweißenden Folien I6 und I7 sind zwischen zwei Rollen I8 und 19 angeordnet, die gleichzeitig der Druckgahe und dem Vorschuh des Materials dienen.
Die von der Strahlungsquelle 20 ausgehende und mittels des Spiegels 2I gerichtete Strahlung wird durch einen in die Rolle I8 eingearbeiteten kegelförmigen Spiegel 22 in eine Parabolspiegelanordnung gebrochen. Der Teil 23 dieser Anordnung ist ringförmig in die Rolle I8, der Teil 24 ebenfalls ringförmig in die Rolle 19 eingearheitet. Die Schnittkanten der spiegelnden Flächen sind in Fig. 7 dick eingezeichnet. Es ist selbstverständlich, daß die von den Wärmestrahlen durchsetzten Teile der beiden Rollen I8 und 19 aus einem Material gefertigt sind, welches diese Strahlen nicht oder nur unwesentlich absorhiert. Die Strahlung wird in einer Brennlinie konzentriert, die mit der Schweißnaht 25 zusammenfällt, jedoch derart, daß sich die größte Energiedichte an der Stelle der Berührung der heiden Rollen befindet.
Fig. 8 stellt eine ebenfalls der progressiven Naht-oder Flächenverschweißung dienende, der Erfindung gerecht werdende. sehr günstige Anordnung in schematischer Form dar. Der Druckgal>e und dem Vorschub der miteinander zu verschweißenden Folien 26 und 27 dienen wiederum zwei einfache gegeneinanderlaufende Rollen bzw. Walzen 28 und 29, von denen bei Nahtverschweißung mindestens eine die Breite der zu erzielenden Schweißnaht hat. Die Art der Energiezuführung unterscheidet sich jedoch wesentlich von den bisher dargestellten Anordnungen. Man macht sich hierbei die Tatsache zunutze, daß die Strahlung von der Oberfläche eines Körpers um so stärker reflektiert wird, je flacher sie auf diese auftrifft. Von einer beispielsweise von einem richtenden Pa rabolschi rm 3I teilweise umgel>enen Energiequelle 30 wird die infrarote Strahlung in den Keil hineingeworfen, den die zur Schweißung zwischen den Rollen bzw.
Walzen zusammengeführten Folien 26 und 27 bilden Die Strahlung trifft sehr flach auf die Oherflächen der Folien auf, wird mehrmals zum größten Teil reflektiert, bis sie sich schließlich in der Schweißstelle konzentriert. Der Teil der Energie, der vorher von den Thermoplasten absorhiert wird, dient in zweckmäßiger Weise der Vorwärmung.
Sollen hierbei nur schmale Nähte geschweißt werden. so bereitet es keine Schwierigkeiten, die zugeft hrte Energie, z. B. mittels zweier keilförmig geneigter, entsprechend zugeschnittener Planspiegel, auf die Breite der gewFünschten Schweifluaht zu konzentrieren.
Auch liei der zuletzt l>eschriebenen Anordnung ist es natürlich möglich, zusätzlich Mittel zu ver- wenden, die in beschriebener Weise die Absorptionsfähigkeit der Schweißstelle erhöhen.
PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zur Erwärmung thermoplastischer Stoffe zum Zwecke der Warmbearbeitung, bei welchem die Stoffe einer Wärmestrahlung ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmestrahlen durch optische den Strahlengang beeinflussende Mittel (Sammellinsen und/ oder Hohlspiegel rotations- oder zylinderparabolischer oder -elliptischer Form od. dgl.) auf bestimmte Punkte, Linien oder begrenzte Bereiche konzentriert werden.

Claims

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall der Verschweißung mindestens zweier Folien aus thermoplastischem Material diese zunächst von homogener Strahlung durchsetzt wird, welche sodann mittels eines rotations- oder zylinderparabolischen Spiegels derart reflektiert wird, daß die Strahlfokussierung in einem Brennpunkt oder einer Brennlinie mit der erwünschten Schweißstelle zusammenfällt (z. B. Fig. 2).

3. Verfahren nach Anspruch I und 2, gekennzeichnet durch Verwendung nahezu punkt- oder linienförmiger Energiequellen.

4. Verfahren nach Anspruch X bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle mittels Linsen und/oder entsprechend geformter Spiegel direkt in der zu erwärmenden Stelle, z. B. Schweißnaht, abgebildet wird (z. 13.

Fig. 3 und 4).

5. Verfahren nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein System aus zwei parabolischen (II und 'Ii2 in Fig. 5) oder einem elliptischen Spiegel verwendet wird, in dessen einem Brennpunkt bzw. -strich sich die Energiequelle befindet, während die zu erwärmende Stelle des zu bearbeitenden Materials, z. B.

Schweißstelle, in dem anderen Brennpunkt bzw.

-strich liegt (z. B. Fig. 5).

6. Vorrichtung zur Durchführung von Verfahren nach Anspruch I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel teilweise zwecks Durch- bzw. Einführung des zu bearbeitenden Materials mit Aussparungen versehen sind oder aus zwei Teilen bestehen.

7. Vorrichtung zur Durchführung von Verfahren nach Anspruch I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten optischen Mittel verstellbar angeordnet sind.

8. Vorrichtung zur Durchführung von Verfahren nach Anspruch I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel zumindest dann, wenn sie gleichzeitig der beispielsweise bei der Schweißung notwendigen Druckgahe dienen, aus für Wärmestrahlen durchlässigem Material bestehen, deren entsprechend der gewünschten Spiegelarten geformte Randflächen mit einem strahlreflektierenden Material überzogen sind (z. B. Fig. 6).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht mit reflektierendem Material überzogene, auf die zu bearbeitenden Folien aufzudrückende Seite des Spiegels mit einem Steg (15) oder einer Wölbung derart versehen ist, daß diese(r) die Oruckwirkung besonders auf die Stelle der Schweißnaht konzentriert (z. B. in Fig. 6).

IO. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das zu bearbeitende Material aufzupressende Fläche zur Erzielung von Prägungen entsprechend. reliefartig geformt ist.

I I. Verfahren nach Anspruch I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Schweißung oder Prägung nach Erreichen einer bestimmten durch die Erweichung des Materials bedingten Eindringtiefe der pressenden Teile eine automatische Unterbrechung oder Reduzierung der zugeführten Energie beispielsweise durch Abschaltung oder Abblendung der Energiequelle oder durch Ablenkung der Strahlen erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch I und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur progressiven Nahtverschweißung gegeneinanderlaufende Rollen verwendet werden, in welche geeignet geformte Spiegel oder sich ergänzende Spiegelteile ringförmig eingearbeitet sind (z. B. Fig. 7).

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen gleichzeitig der Druckgabe und dem Materialvorschub dienen.

14. Verfahren nach Anspruch r und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur progressiven Naht- oder Flächenverschweißung gegeneinanderlaufende, gleichzeitig der Druckgabe und dem Vorschub dienende Rollen bzw. Walzen verwendet werden, und die Strahlen in den Keil hineingeworfen werden, den die zur Schweißung zwischen den Rollen bzw. Walzen zusammengeführten Folien bilden (z. B. Fig. 8).

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zugefiihrte Energie bei Nahtverschweißung beispielsweise mittels keilförmig geneigter, entsprechend zugeschnittener Planspiegel auf die Breite der gewünschten Schweißnaht konzentriert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 und I2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine eventuell zusätzliche Energiekonzentrierung durch Zuhilfenahme stark absorbierender, vorzugsweise flüssiger Materialien erzielt wird, mit denen die zu erwärmenden Stellen des zu bearbeitenden Materials bestrichen werden.

Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 735 000.